奥陶纪生物大辐射（Great Ordovician Biodiversification Event, GOBE）是显生宙早期海洋生态系统演化的里程碑事件，表现为生物多样性的快速增加与海洋生态空间的逐渐饱和，同时伴随着寒武纪演化动物群向古生代演化动物群的演替。关于GOBE的驱动机制，学界长期存在争议，全球变冷、大气增氧、陨石撞击、营养盐输入等假说先后被提出，但仍难以解释生物与环境之间的真实耦合过程。造成这一争议的主要原因在于：不同生态类群（浮游、游泳、底栖）对环境变化的响应存在差异，而传统的总体多样性曲线与环境指标直接比对容易掩盖这一复杂性。
研究团队的前期工作已经发现，GOBE期间浮游生物的多样化速度和规模显著超过游泳和底栖生物（Deng & Fan* et al., 2021, Earth-Science Reviews），并进一步证明浮游生物的大量繁衍显著提升了海洋初级生产力，推动了早、中奥陶世长期气候变冷（Yang* & Fan* et al., 2026, Earth and Planetary Science Letters）。然而，浮游生物为何能在GOBE期间率先爆发？这一源头问题仍未解决。
为此，研究团队以华南地区的古生物大数据为基础，开展了生态类群演化特征的定量分析（图1），以及与高精度碳-氮同位素（δ¹³Ccarb-δ¹⁵Nbulk）的比较分析。结果表明，GOBE可划分为两个阶段（图2）：第一阶段（GOBE-1，特马豆克期至达瑞威尔早期），浮游、游泳和底栖三大生态类群呈现协同增长；第二阶段（GOBE-2，达瑞威尔早期至凯迪期），三大类群则表现为解耦关系。
同位素数据显示，华南地区δ¹⁵N在特马豆克期约为+3.0‰，随后逐步下降，至达瑞威尔中期降至约+1‰并维持至凯迪期。关键的是，δ¹⁵N的下降明显滞后于GOBE-1期间生物多样性的上升（图3）。这一滞后性表明，GOBE并非由营养盐直接驱动，而是生态位扩张在先、营养盐反馈在后。δ¹⁵N的整体下降趋势指示了大气固氮作用的逐步增强：在GOBE-1阶段，浮游生物的繁盛消耗了海水中的硝酸盐储库，同时生产力提升促进了缺氧环境的扩张和磷的再循环，进而刺激了大气固氮作用，使海洋δ¹⁵N逐渐接近0‰（大气δ¹⁵N值）。这一机制表明，GOBE期间海洋生产力的持续提高与缺氧水体的幕式扩张，可能在特定区域形成了有利于生物多样性聚集的“生态热点”。这一发现也为解释奥陶纪多次碳同位素漂移事件提供了新的思路。
上述研究成果于4月21日在线发表于自然指数（Nature Index）期刊《Earth and Planetary Science Letters》。论文第一作者为杨生超博士（现为中国科学院南京地质古生物研究所副研究员），美国科学院院士、加州大学戴维斯分校Isabel P. Montañez教授与pg电子官方网站樊隽轩教授为共同通讯作者。合作者包括pg电子官方网站沈树忠院士、曹剑教授和博士生鲁铮博，成都理工大学李超教授、孙宗元副教授，合肥工业大学邓怡颖讲师，以及英国杜伦大学David Harper教授、美国辛辛那提大学Thomas Algeo教授、法国国家科学研究中心Thomas Servais教授、美国特拉华大学Ronald Martin教授、美国加州大学伯克利分校Charles Marshall教授等多位国际学者。该研究得到了国家自然科学基金委、中央高校基本业务费（pg电子官方网站）、江苏省国际合作项目以及中国科学院南京地质古生物研究所自主部署项目的联合资助。
文章信息：
Yang, S.C., Algeo, T.J., Servais, T., Martin, R.E., Harper, D.A.T., Marshall, C.R., Deng, Y.Y., Sun, Z.Y., Lu, Z.B., Cao, J., Li, C., Shen, S.Z., Montañez, I.P.*, Fan, J.X.*, 2026. Co-evolution of marine ecosystems and nutrient cycles during the Great Ordovician Biodiversification Event.Earth and Planetary Science Letters, 686, 120043. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120043
相关论文：
Yang, S.C.*, Fan, J.X.*, Li, C., Lin, Y.B., Deng, Y.Y., Sun, Z.Y., Cao, J., Shen, S.Z. 2026. Enhanced marine primary productivity during the long-term Ordovician cooling: A barium isotope perspective from South China. Earth and Planetary Science Letters, 675, 119783.
Deng, Y.Y., Fan, J.X.*, Zhang, S.H., Fang, X., Chen, Z.Y., Shi, Y.K.*, Wang, H.W., Wang, X.B., Yang, J., Hou, X.D., Wang, Y., Zhang, Y.D., Chen, Q., Yang, A.H., Fan, R., Dong, S.C., Xu, H.Q., Shen, S.Z., 2021. Timing and patterns of the Great Ordovician Biodiversification Event and Late Ordovician mass extinction: Perspectives from South China. Earth-Science Reviews, 220, 103743.
图1 奥陶纪不同地理尺度和时间分辨率的生物多样性曲线汇编。
图2 华南地区奥陶纪生物大辐射期间不同生态类群的协同演化关系。
图3 宜昌YW2井奥陶系碳-氮同位素、生物多样性与海洋温度的综合对比。
图4 奥陶纪生物大辐射期间生物与环境的协同演化示意图。GOBE之前，在全球高温背景下，海洋的生物多样性较低，大量的生态空间未被占据；GOBE-1阶段，浮游生物开始繁盛，带动游泳与底栖生物协同增长，海洋初级生产力逐步增强，推动全球温度逐步下降；GOBE-2阶段，持续提升的海洋生产力导致海洋表层的可利用硝酸盐消耗殆尽，而全球进一步降温加剧了洋流循环与缺氧水体上涌，抑制了游泳与底栖生物，最终使三大生态类群解耦。
图文：樊隽轩，杨生超
审核：陈天宇
